[發明專利]一種基于寬帶表面等離子體波的微區光譜測量裝置

有效

• 申請號: 201410086293.X
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103837499A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 韓璐;張斗國;陳漪愷;朱良富;王茹雪;王沛;明海
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49;G01N1/28
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及表面等離子體波和光譜測量的技術領域，特別涉及一種基于寬帶表面等離子體波的微區光譜測量裝置。

背景技術

光譜是研究物質內部結構和運動及其相互作用的有力工具。在常規光譜探測中，由于衍射極限的存在，其空間分辨率很難達到微米以下。而在光譜分析的很多應用中，發光區域的尺度常在納米級別，如單分子熒光，量子線、量子點光源等。

目前實現高空間分辨率的光譜技術主要有兩類：1、利用掃描共聚焦顯微鏡測定光譜。共聚焦顯微鏡具有較高的橫向分辨率，但其縱向分辨率較低，且橫向分辨率仍受衍射極限的限制。2、利用近場光學顯微鏡與近場光譜，用納米尺度的微光學探針掃描而同時得到樣品的形貌和微區光譜，此方法空間分辨率高，但裝置成本高，操作復雜，應用頗為不便。

發明內容

本發明的目的是克服現有測量技術的不足，提出了一種基于寬帶（或寬波長）表面等離子體波的微區光譜測量裝置，可獲得高空間分辨率，高靈敏度和高信噪比的光譜信息。

本發明實現上述目的的技術方案如下：

一種基于寬帶表面等離子體波的微區光譜測量裝置：其包括：寬帶光源，光纖，擴束透鏡，偏振片，徑向偏振轉換器，反射鏡，光闌，高數值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，樣品，光譜儀；

其中，樣品包括玻璃基底，金屬薄膜（如金膜，銀膜等），待測樣品（如生物細胞，納米粒子等）及上方空氣層構成的四層結構，金屬薄膜蒸鍍或濺射在玻璃基底上，在金屬薄膜上滴涂或浸涂待測樣品，使樣品粘著在金屬薄膜上。

所述寬帶光源由光纖導出，由擴束透鏡擴束后經偏振片，徑向偏振轉換器轉換為徑向偏振光，再經反射鏡，光闌擋去中心部分，得到環形徑向偏振光束，通過高數值孔徑油浸顯微物鏡，折射率匹配油，以寬角度范圍聚焦輻照在金屬薄膜上，激發金屬-空氣界面的表面等離子體波，表面等離子體波沿金屬-空氣界面向物鏡焦點傳播，在金屬表面形成超衍射極限的聚焦白光光斑（近場光斑，局域在金屬薄膜上表面），當樣品被此聚焦光斑照射時，此近場局域的光斑會被散射到遠場，被光譜儀采集，從而得到待測樣品的光譜信息。

本發明和傳統技術相比的優勢為：

1、本發明空間分辨率高。本發明以寬帶表面等離子體波為光譜光源，表面等離子體波具有超衍射極限的穿透深度，在強聚焦下徑向偏振光的聚焦光斑尺寸可小至0.3λ，因而可同時實現高縱向和橫向分辨率。

2、本發明信噪比、靈敏度高。所述寬帶徑向光源通過擴束后，用光闌擋去中心部分光束，得到環形光斑，只讓高反射角θ_r到SP激發角θ_sp之間的入射光通過，在這一很小的角度范圍內絕大部分能量都耦合了到SP中，直接通過的背景光非常弱，極大地降低了背景噪聲，因而具有高信噪比和靈敏度。

附圖說明

圖1為一種基于寬帶表面等離子體波的微區光譜測量裝置；

其中，1、寬帶光源，2、光纖，3、擴束透鏡，4、偏振片，5、徑向偏振轉換器，6、反射鏡，7、光闌，8、高數值孔徑油浸顯微物鏡，9、折射率匹配油，10、基底，11、金屬薄膜，12、待測樣品，13、光譜儀。

圖2為測量流程圖；

圖3為所述環形光束聚焦示意圖，其中，14、聚焦平面，(a)、(b)分別對應線性和徑向偏振，箭頭表示偏振方向。

圖4為45nm金膜上500nm環形徑向偏振光的聚焦光斑強度分布圖，其中，(a)、(b)分別對應線性和徑向偏振；

圖5為45nm金膜在600nm入射光激發下的ATR曲線。

圖6為本發明實施例所得光譜。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細描述，附圖中相同的標號始終表示相同的部件。

參照圖1所示的一種基于寬帶表面等離子體波的微區光譜測量裝置，包括寬帶光源1，光纖2，擴束透鏡3，偏振片4，徑向偏振轉換器5，反射鏡6，光闌7，高數值孔徑油浸顯微物鏡8，折射率匹配油9，玻璃基底10，金屬薄膜11，待測樣品12，光譜儀13。

具體測量流程如圖2。

樣品制備過程如下：在玻璃基底10上蒸鍍一層45nm厚的金膜，將直徑為2um的聚苯乙烯小球（Polystyrene?Spheres，簡稱PS小球）（即為待測樣品）溶解于去離子水中，滴涂在金膜上，靜置以待水分揮發，即制備成所需樣品。